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1、第十一章 水质特性,环境水文学之,主要内容,地球上水的物理性质地球上水的化学性质地球上水的分布与水资源,一、物理性质,水的形态及其转化水的热力学性质水的温度水的密度水色与透明度,1. 水的形态及其转化,（1）水分子的结构由一个氧原子和两个氢原子组成。键角104031,O-H键长为0.9568埃。因此，水具有极性结构，以单分子、双分子、三分子聚合体形式存在。,1. 水的形态及其转化,（2）水的三态及其转化随着水温升高，聚合水分子减少，而单分子增多；水温降低，聚合水分子增多，单水分子减少；水温3.98时，双分子最多，密度最大，比重为1。固态水结构水分子有完整正四面体结构形态，键角增为109028。
2、键距增至1.01埃。冰晶内在矛盾主要是氢键的凝聚力和氢核的振动、水分子的热运动，前者为吸引因素，后二者为排斥因素。液态水结构理论模型大体分连体理论和混合理论，但其忽略液态任意性特点，因此，提出“闪动簇团”模型。,2. 水的热学性质,水是所有固体和流体中热容量最大的物质之一，能吸收相当多的热量而不损害其稳定性。0水直接蒸发潜热为2500J/g，100汽化潜热为2257J/g，0冰融解潜热为1404J/g，冰直接升华潜热为140125003901J/g。,3. 水的温度,水的温度是一很重要的物理特性，影响水中生物、水体净化和人类对水的利用。太阳辐射是主要热源之一。1）海水的温度热量收支、水平和垂直
3、分布、时间变化（日、月、年）、海冰（24.695*10-3、-1.332）。2）河水温度 农田灌溉、水生养殖、水工建筑物等有重要意义。受太阳辐射、气温等地带性因素控制，因而体现地带性规律。还受补给源影响，有时空上变化。我国河流水温受大陆性气候影响年变幅大日变幅小。,3. 水的温度,3）湖泊、水库水温受水气界面上增温与冷却和湖泊内部紊动、对流混合作用影响，使水温分布存在差异。有日、月、年的变化。月平均最高值出现在7、8月，最低值出现在1、2月。我国水温年变幅最大是太湖，达38。高山、高原年变幅最小。,3. 水的温度,4）地下水的水温地下水的埋藏深度不同，温度变化规律不同。近地表受气温影响；年常温
4、层变化小，0.1；常温层下随着深度增加升高。地下水在一定地质条件下，受内部热能影响而形成地下热水。地热异常区为地热田。,表1-4 地下水温度分类(),4. 水的密度,1）纯水的密度水分子有三种结构形式：四面体结构；类石英晶体结构；最紧密的堆积结构。分子数相同时，第一种结构体积最大，第三种结构体积最小。温度一旦增减，三种形式分布就要发生变化。,表16 水的密度随温度变化,4. 水的密度,2）海水的密度指单位体积内所含海水的质量，其单位为g/cm3。海水的比重即指在一个大气压力条件下，海水的密度与水温3.98时蒸馏水密度之比。因此在数值上密度和比重是相等的。海水的密度状况，是决定海流运动的最重要因
5、子之一。,4. 水的密度,2）海水的密度海水密度是实用盐度（s）、温度（t）和压力（p）的函数。因此，海水密度可用海水状态方程表示： (s,t,p)=(s,t,0)/110/k(s,t,p) 式中，为海水密度；k为海水正割体积弹性模量。 k(s,t,p)=k(s,t,0) + Ap + Bp2 式中，A、B为系数。在一个标准大气压（p=0）下的海水密度，称条件密度，在现场温度、盐度和压力条件下所测定的海水密度，称为现场密度或当场密度。,5. 水色与透明度,1）水的颜色水体对光的选择吸收和散射作用的结果，以水色计测量。水色常用水色计测定。水色计由21种颜色组成，由深蓝到黄绿直到褐色，并以号码1-
6、21代表水色。号码越小，水色越高；号码越大，水色越低。,5. 水色与透明度,2）水的透明度透明度是表示各种水体能见程度的一个量度，以透明度板测量。水色和透明度，都反映了水体的光学特性。水面上光线越强，透入越深，透明度就越大；反之则小。水色越高透明度越大，水色越低透明度越小。,二、化学性质,天然水的化学成分天然水的矿化过程天然水的分类水体的化学性质,1. 天然水的化学成分,目前各种水体里已发现80多种元素。天然水中各种物质按性质通常分为三大类：悬浮物质：粒径100nm的物质颗粒;胶体物质：粒径为100-1nm的多分子聚合体;溶解物质：粒径1nm的物质。,1. 天然水的化学成分,K+、Na+、Ca
7、2+、Mg2+和Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-为天然水中的八大离子。还有Fe、Mn、Cu、F、Ni、P、I等重金属、稀有金属、卤素和放射性元素等微量元素；水中溶解的气体有O2、CO2、N2，特殊条件下也有H2S、CH4等。总之，无论哪种天然水，八种主要离子的含量都占溶解质总量的95-99以上。天然水中各种元素的离子、分子与化合物的总量称为矿化度。各种溶解质在天然水中的累积和转化，是天然水的矿化过程。,2. 天然水的矿化过程,1）溶滤作用：土壤和岩石中某些成分进入水中的过程。 2）吸附性阳离子交替作用：天然水中离子从溶液中再转移到胶体上是吸附过程。H+Fe3+Al3+Ba2+Ca2+
8、Mg2+K+NH4+Na+Li+ 3）氧化作用：围岩的矿物氧化和使水中有机物氧化。2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO412FeSO4+3O2+6H2O=4Fe2(SO4)3+2Fe2O33H2O游离的硫酸进而侵入围岩中的CaCO3。CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2+2H2O,2. 天然水的矿化过程,4）还原作用：天然水若与含有机物的围岩（油泥、石油等）接触，或受到过量的有机物污染，碳氢化合物可以使水中的硫酸盐还原。5）蒸发浓缩作用：在干旱地区，内陆湖和地下水正在经历盐化作用。蒸发浓缩沉积顺序是Al、Fe、Mn的氢氧化物，Ca、Mg的碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐，Na的硫
9、酸盐，Na、K的氯化物，Ca、Mg的氯化物，最后为硝酸盐。 6）混合作用：雨水渗入补给地下水，地下水补给河水，河水注入湖泊或大海，河口段的潮水上溯，滨海含水层的海水入侵等，都是天然水的混合。,3. 天然水的分类,按水化学成分分类按矿化度分类按主要离子成分比例分类,1）地表水分类阿列金（前苏联）提出一个简单的水化学分类系统。首先按占优势的阴离子将天然水分为三类：重碳酸盐类（C）、硫酸盐类（S）、氯化物类（Cl）。其次，对每一类天然水按占多数的阳离子分为钙质（Ca）、镁质（Mg）、钠质（Na）三组。然后，在每一组内又按各种离子摩尔的比例关系，分为四个水型：,型：HCO3-Ca2+Mg2+。型水是低
10、矿化水，系由火成岩溶滤或离子交换作用形成的。型：HCO3-Ca2+Mg2+HCO3-+SO42-）。型水是低矿化和中等矿化水，多由火成岩、沉积岩的风化物与水相互作用形成。河水、湖水、地下水大多属于这一类型。型：HCO3-+SO42-Ca2+Mg2+或Cl-Na+。型水包括高矿化度的地下水、湖水和海水。型：HCO3-=0。型水是酸性水，pH4.5时，水中游离的CO2和H2CO3、HCO3-的浓度为零。例如，沼泽水、硫化矿床水和煤田矿坑水。按此系统共分27个类型。,表1-9 天然水化学分类表,2）地下水化学分类地下水化学分类方法很多，现介绍C.A.舒卡列夫的分类方法。这个分类法既考虑了各主要离子成
11、分的摩尔百分数，又考虑了水的矿化度。,4. 水体的化学性质,在水文循环过程中，水经历了各种各样的环境，携带各种物质一起迁移，并常常由一种形态转化为另一种形态，导致各种元素在不同水体中的分散和富集。,1）大气水的化学组成及特性 大气降水含有多种离子及微生物和灰尘。但也是溶解物质最少的天然水，雨水的矿化度较低，一般为20-50mg/L，在海滨有时超过100mg/L。化学成分和性质特点：溶解气体含量近于饱和；降水普遍显酸性，矿化度最低。,2）海水的化学组成及特点,海水的盐度：单位质量的海水中所含溶解物质的质量。以电导测盐法进行研究。1979年第17届国际海洋物理协会通过决议，将盐度分为绝对盐度和实用
12、盐度。 （1）绝对盐度（SA）：定义为海水中溶解物质的质量与海水质量的比值。在实际工作中，此量不易直接量测，而以实用盐度代替。 （2）实用盐度（S）：在温度为15、压强为一个标准大气压下的海水样品的电导率，与质量比为 32.435610-3的标准氯化钾（KCl）溶液的电导率的比值K15来定义。当K15精确地等于1时，海水样品的实用盐度恰好等于35。实用盐度根据比值K15由下述方程式来确定：,3）河水化学成分的特点河水流动迅速，交替期平均只有16天。河水与河床砂石接触时间短，其矿化作用很有限。河水的水化学属性几乎完全取决于补给水源的性质及比例。（1）河水的矿化度普遍低。一般河水矿化度小于1g/L
13、，平均只有0.150.35g/L 。在各种补给水源中，地下水的矿化度比较高，而且变化大；冰雪融水的矿化度最低，由雨水直接形成的地表径流矿化度也很小。,3）河水化学成分的特点（2）河水中各种离子的含量差异很大。其含量顺序：,3）河水化学成分的特点（3）河水化学组成的空间分布有差异性。大的江河，流域范围广，流程长，流经的区域条件复杂，并有不同区域的支流汇入，各河段水化学特征的不均一性就很明显。（4）河水化学组成的时间变化明显。河水补给来源随季节变化明显，因而水化学组成也随季节变化。,4）湖水化学成分的特点湖泊是陆地表面天然洼陷中流动缓慢的水体。湖泊的形态和规模、吞吐状况及所处的地理环境，造成了湖水
14、化学成分及其动态的特殊性。在湿润地区，年降水量大于年蒸发量，湖泊多为吞吐湖，水流交替条件好，湖水矿化度低，为淡水湖。在干旱地区，湖面年蒸发量远大于年降水量，内陆湖的入湖径流全部耗于蒸发，导致湖水中盐分积累，矿化度增大，形成咸水湖或盐湖。不同地区湖泊具有不同的化学成分和矿化度。湖水与海水在化学成分上的差异，主要体现在湖水主要离子之间，无一定比例关系。,4）湖水化学成分的特点（1）湖水的矿化度有差异。按照矿化度，通常将湖泊分为淡水湖（1g/L）、微咸水湖（124.7g/L）、咸水湖（24.735g/L）、盐湖（35g/L）几种类型。（2）湖中生物作用强烈。营养元素（N、P）在湖水、生物体、底质中循
15、环，各地的淡水湖泊都有不同程度的富营养化的趋势。（3）湖水交替缓慢，深水湖有分层性。随着水深的增加，溶解氧的含量降低，CO2的含量增加。在湖水停滞区域，会形成局部还原环境，以致湖水中游离氧消失，出现H2S、CH4类的气体。,5）地下水的化学特征地下水化学组成类型之多，地区性差异之大，是其它天然水不可比的。关于地下水化学成分的起源和形成过程，至今仍有许多长期争论的问题没有解决。地下水化学基本特点如下：（1）地下水充填于岩石、土壤空隙中，与岩石、土壤广泛接触渗流速度很小，循环交替缓慢，而且地下水贮存于岩石圈上部相当大的深度（10公里），构成了地下水圈。（2）矿化度变化范围大，从淡水直到盐水。在淡水
16、中阴离子以HCO3-为主，阳离子以Ca2+为主。随着矿化度的增加，阴离子按HCO3-SO42-Cl-次序递增；阳离子中Na+的含量增多，逐渐代替Ca2+成为主要成分，而且Mg2+的含量稍有增加。,5）地下水的化学特征（3）地下水的化学成分的时间变化极为缓慢，常需以地质年代衡量。（4）地下水与大气接触有很大的局限性，仅限于距地表最近的含水层，此层可溶入氧气成为地下水氧化作用带。然而地下水中CO2的含量比较多，因为生物的呼吸、有机质的分解，使土壤空气中C02的含量可达17。如果地下水交替缓慢，则氧很快耗尽，成为还原环境。围岩中若含有机质，则地下水便富集 H2S、CH4等气体。,三、水的分布和水循环
17、,地球上水的分布水资源涵义与特性世界水资源我国水资源,1. 地球上水的分布,地球总面积为5.1亿km2，其中海洋面积为3.613亿km2，约占地球总面积的70.8。海洋的总水量为13.38亿km3，占地球总水量的96.5，折合成水深可达3700m，如果平铺在地球表面，平均水深可达2640m。除海洋外，还有湖泊、河流、沼泽、冰川等。地表约四分之三被水所覆盖。,地表之上的大气中的水汽来自地球表面各种水体水面的蒸发、土壤蒸发及植物散发，并借助空气的垂直交换向上输送。大气水在7km以内总量约有12900km3，折合成水深约为25mm，仅占地球总水量的0.001。虽然数量不多，但活动能力却很强，是云、雨
18、、雪、雹、霰、雷、闪电的根源。地表之下储存于地壳约10km范围含水层中的重力水，称为地下水。现根据苏联学者1974年所发表的研究成果，从地面至深达2km的地壳内，地下水总储量为2340万km3。土壤水是指储存于地表最上部约2m厚土层内的水。据调查土层的平均湿度为10，相当于含水深度为0.2m，以陆地上土层覆盖总面积8200万km2计算，那么土壤水的储量为16500km3。地球表面生物体内的贮水量约为1120km3。地球有“水的行星”之称。,2. 水资源涵义与特性,水是宝贵的自然资源，也是自然生态环境中最积极、最活跃的因素。同时，水又是人类生存和社会经济活动的基本条件，其应用价值表现为水量、水质
19、及水能三个方面。1）水资源的涵义（1）广义水资源：世界上一切水体，包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、土壤水、地下水及大气中的水分，都是人类宝贵的财富，即水资源。（2）狭义水资源：不同于自然界的水体，它仅仅指在一定时期内，能被人类直接或间接开发利用的那一部分动态水体。淡水资源只占全球总水量的0.32左右，约为1065万km3。土壤水属于水资源范畴。大气降水是淡水资源唯一的补给来源。,2. 水资源涵义与特性,2）水资源的特性（1）水资源的循环再生性与其有限性；（2）时空分布的不均匀性；（3）利用的广泛性和不可代替性；（4）利与害的两重性。,3. 世界水资源,水资源是指水量中可为人类生存、发展所利用
20、的水,指逐年可以得到更新的淡水。反映水资源数量和特征的是年降水量和河流的年径流量。所以，通常采用多年平均径流量来表示。,4. 我国水资源,1）水资源总量区域水资源总量为当地降水形成的地表水和地下水的总和。由于地表水和地下水互相联系而又相互转化，因此计算水资源总量时,不能将地表与地下水资源直接相加，应扣除相互转化的重复计算量。全国多年平均地表水资源量为27115亿m3, 地下水为8288亿m3,扣除重复计算水量7279亿m3，总量为28124亿m3。水资源利用分为9个一级区，北方5区多年平均总量为5358亿m3,占全国的19,平均产水模数为8.8万m3/km2,水资源贫乏；南方4区多年平均水资源
21、总量为22766亿m3,占全国的81,平均产水模数为65.4万m3/km2,是北方的7.4倍，水资源丰富。,2）水资源时空变化（1）地区分布,a.多雨-丰水带：年降水量大于1600mm，年径流深超过800mm,年径流系数在0.5以上。包括浙江、福建、台湾、广东等省的大部分地区，广西东部、云南西南部、西藏东南隅，以及江西、湖南、四川西部的山地。其中台湾东北部和西藏东南的局部地区，年径流深高达5000毫米，是我国水资源最丰富地区。 b.湿润-多水带：年降水量800-1600mm，年径流深200-800mm,年径流系数为0.25-0.5。主要包括沂沭河下游和淮河两岸地区,秦岭以南汉水流域,长江中下游
22、地区,云南、贵州、四川、广西等省区的大部分及东北的长白山区。 c.半湿润-过渡带：年降水量400-800mm,年径流深50-200mm,年径流系数0.1-0.25.包括黄淮海平原,东北三省、山西、陕西的大部分,甘肃和青海的东南部,新疆北部和西部山地,四川西北部和西藏东部。 d.半干旱-少水带：年降水量200-400mm，年径流深10-50mm,年径流系数在0.1以下.包括东北地区西部,内蒙古、宁夏、甘肃的大部分地区,青海、新疆的西北部和西藏部分地区。 e.干旱-干涸带：年降水量小于200mm,年径流深不足10mm,有的地区为无流区。包括内蒙古、宁夏、甘肃的荒漠和沙漠，青海的柴达木盆地，新疆的塔
23、里木盆地和准噶尔盆地，西藏北部羌塘地区。,(2)多年变化 水资源通常以丰枯变化规律反映多年变化过程，以极值比表示年际变差幅度。1)丰枯变化规律：大致可归纳为三种类型： 有比较明显的60-80年长周期。 有比较明显的30-40年短周期。 没有明显的周期性变化规律。2)极值比：系列中最大值与最小值的倍比值,称为极值比(Km),可以作为反映降水、径流年际变幅的指标。年径流极值比除了受气候因素影响外,还与下垫面条件和流域面积大小有密切关系,它的分布规律与年降水有些差别。,(3)季节变化.全国降水量以夏多冬少，春、秋介于冬、夏之间。春雨和秋雨各地不同，多气旋过境地方春雨较多，多台风过境的地方秋雨较多。按
24、照河流补给情况，全国大致可分为三区： 秦岭以南主要为雨水补给区，河川径流量的季节变化主要受降水季节分配的影响，夏汛比较突出。因流域的调节作用，河流少雨季节一般比多雨季节滞后一个月左右。 东北地区、华北部分地区、黄河上游和西北一些河流，为雨水和冰雪融水补给区，有春、夏两次汛期，年径流过程线呈双峰型。但一般春汛水量不大，多数河流占年径流量的5左右，少数超过10。 西北内陆地区的祁连山、天山、阿尔泰山、昆仑山以及青藏高原部分河流，主要由高山冰雪融水补给，径流量的变化与气温有密切关系，年内分配比较均匀。,3、水资源条件和问题 (1)水资源总量不少，但人均、亩均水量较少，合理利用和保护水资源应作为我国长
25、期坚持的国策(见表121)。从水资源总量来说不算少，但我国人口众多，90年人均地表水量只有2338m3，约为世界人均水量的四分之一；耕地面积也不少，亩均水量1759m3，约为世界亩均水量的四分之三，可见我国水资源并不富裕。 (2)水资源的地区分布很不均匀,与人口、耕地的分布不相适应,进行水量的地区调配是水资源开发利用的重要课题。从全国来说,南方水多、地少、人多,北方水少、地多，造成了南方水量有余,北方水量短缺的局面(见表124).为了从根本上改变北方用水紧张的局面，除了开源节流、合理开发利用和保护水资源外，应当积极研究跨流域调水工程措施,将南方多余的水量调至北方缺水地区,对水资源进行地区上的再
26、分配。 (3)水量的年内、年际变化大,水旱灾害频繁,抗旱防洪涝始终是一项艰巨任务.我国位于东亚季风区，降水和径流的年内分配很不均匀，年际变化大，少水年和多水年持续出现。这些特点是造成水旱灾害频繁、农业生产不稳定的主要原因(表125)。,(4)水土流失和泥沙淤积严重,破坏了生态平衡,增加了江河防洪困难,降低了水利工程效益.人类活动森林覆盖率很低,只有12.9,水土流失严重，其流失面积为120万km2(表1-26)。 (5)地下水是我国重要水资源, 合理开发利用,防止过量开采.我国地下水平均年资源量为8288亿m2。山丘区地下水平均年资源量为6762亿m3(表1-27).平原区地下水平均年资源量为1873亿m3(含与山丘区地下水资源量间重复计算量348亿m3)。我国北方平原区地下水平均年资源量为1468亿m3（表128）,占全国平原区地下水平均年资源量的78.4。我国岩溶山区地下水资源也较丰富有105.9亿m3(表1-29).我国北方地表水资源相对贫乏，但平原区地下水资源比较丰富且易开发利用。 (6)天然水质相当良好,但人为污染日趋严重,防止水质恶化,保护水源已是当务之急。,谢谢大家！,
